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微塑料对土壤:Χ,生物塑料能否救局未有定论
发布时间:2022-09-30 03:09   来源:科普中国 分享:

塑料是聚合结构的碳氢化合物,往往含有大量的添加剂,以提升某种性能。二十世纪四十年代以来,人们开始大规模地生产塑料(注:本文所称塑料包括石油基塑料和生物基塑料)。2019年,全球塑料产量近3.68亿吨,其中1%是生物基塑料。

生物基塑料(或称生物塑料)是由可再生资源如淀粉、糖、天然纤维或其他不同成分的有机物合成的聚合物。生物基塑料不一定是可生物降解的。据估计,近一半的生物基聚合物都不能够轻易在环境中进行生物分解。

欧洲生物塑料协会这样定义生物塑料:“生物塑料要么是基于生物的,要么是生物可降解的,要么兼具两种特性。”

塑料分类

图源:知乎@Biobased

为了改善纯聚合物的物理化学特性,市面上的塑料(不管是石油基塑料还是生物基塑料,下同)通常均含有添加剂和(或)改性剂。这些添加的成分有利于增加柔韧性、抵御紫外线、降低可燃性,或赋予成品塑料其他理想的物理特性。添加剂或改性剂不仅改变了聚合物的物理化学特性,还改变了它们的包括生物降解性和毒性在内的生物特性。

没有得到妥当处理的塑料垃圾会直接进入陆地和(或)水生生态系统。据估计,32%的塑料会留在陆地生态系统中,对陆地生态系统构成了严重威胁。

土壤为生物提供水和养分,参与全球生态系统中的碳循环和其他循环,具有生物活性,是环境中十分重要的组成部分。塑料颗粒,特别是较小的颗粒(微塑料和纳米塑料),容易在土壤基质中垂直和水平迁移,一些颗粒甚至到可以达含水层,导致地下水污染。塑料颗粒的分布十分广泛,不仅出现在城市、工业区,还会出现在偏远岛屿的海岸线、河漫滩和农田中。

进入土壤的塑料会经历许多生物、化学和物理过程。生物方面,主要和蚯蚓的活动、植物根系的生物扰动和微生物分解有关。物理化学方面,包括吸附、解吸、沉淀、融入土壤团聚体等。

研究表明,塑料会引起土壤化学成分和结构的变化,从而可能导致土壤环境中的水分平衡和循环受到干扰。土壤性质的变化直接或间接地作用于土壤生物群。因此,土壤中的塑料的生态毒性作用既包括塑料颗粒或其降解产物对土壤生物的直接影响,也包括塑料浸出物或塑料降解产物浸出物对土壤生物群的影响。

塑料对于陆地生态系统非生物部分的影响

塑料出现在陆地环境中,改变了土壤的化学成分,导致土壤成分与塑料颗粒以及其他污染土壤区间的化学物质之间发生相互作用。

塑料几乎都是碳化合物。不妨假设,从长期来看,聚合物中的碳会成为土壤的碳库,加剧土壤微生物的进化压力(注:selective pressure,即外界施予一个生物进化过程的压力,会改变该过程的前进方向)。

除了碳原子,部分塑料还包含氮(聚丙烯腈)或氟(聚四氟乙烯)等元素,这些元素均有可能会进入生物地球化学循环(注:bio-geochemical cycle,即环境中各种元素沿着特定路线运动,由周围环境进入生物体,最后回到环境中的循环运动过程)。

土壤中的塑料

摄影:彭瑞祥

如前所述,塑料含有各种添加剂,添加剂可以在聚合或加工的任何阶段以任何比例加入聚合物中。据估计,添加剂占塑料质量的70%。因此,它们也可能进入土壤基质中,并影响土壤的物理和化学特性。

塑料不仅会直接改变土壤的化学成分,也会带来间接影响。例如,研究人员发现,高浓度的PVC微颗粒明显增加了溶解有机物的营养物质(碳、氮和磷)含量。此外,微塑料PVC促进了高分子量的腐殖质类物质和富勒维酸的积累,而富勒维酸的积累可能有利于提高污染物的生物利用率、流动性,推动其在土壤中的转化。

报告特别指出,容易被微生物分解的生物基塑料可能会减少土壤中的营养成分。这是因为微生物的新陈代谢需要氮、磷和其他元素,以进行生物降解,导致这些物质的缺失。塑料还会吸附有害污染物,包括有毒的有机化学品、重金属和抗生素,再加上塑料在土壤和水生环境中的流动性,它们可能会改变细菌的抗生素抗性特征。

塑料颗粒的到来引发了土壤化学成分的变化,带来了土壤物理性质的变化,并影响了各种土壤的参数和过程,如土壤孔隙、毛细管、湿润过程、体积密度、土壤水分和蒸腾作用。

研究发现,添加到土壤中的微塑料会让土壤聚集度下降。部分微塑料(PEHD、PES、PET等)还会让土壤的体积密度下降,而土壤体积密度降低,可能会提升土壤透气性,改善土壤生产力,带来积极影响。

土壤中的塑料影响了水的饱和度和土壤中的转化,最终影响到陆地上的水循环。研究人员观察到,塑料增加了土壤水的蒸发速度。

不过,不同塑料的实验结果也存在差异,例如PA(尼龙)和PES(聚醚砜树脂)会让蒸发量分别增加约35%和50%,但添加了PEHD(高密度聚乙烯)、PET(涤纶树脂)、PS(聚苯乙烯)的情况下,蒸发量的增加则较小。

塑料对土壤物理化学性质的影响是一个多层面的问题,涵括土壤化学成分和结构的变化,以及生态系统中循环和水平衡的波动。这些变化的过程和结果取决于许多因素,如生物塑料的化学成分、浓度,土壤的类型和成分等,因此研究结果和结论各不相同,很难一言以蔽之。

塑料对陆生生物的影响

通常来说,土壤生物群分为植物(单子叶植物和双子叶植物)、微生物(细菌、真菌、古细菌和藻类)和土壤动物(原生动物、线虫、螨虫、弹簧虫、蜘蛛、昆虫、蚯蚓)。

植物方面,研究人员发现,土壤中存在的塑料微:退芰系慕出物会造成种子发育异常。另外一组实验的数据表明,种子发芽的早期阶段,塑料会对发芽率产生影响,这很有可能是微塑料对种子囊中的空隙造成了物理堵塞。研究人员还发现,淀粉基生物降解塑料的微颗:痛罂帕;嵋种菩÷笤诜忠镀冢ù邮栈竦14天左右到40天)的生长高度。

实验结果表明,和大颗粒相比,小颗粒的塑料碎片在吸收有毒化学物质和将其转移到食物链中的流动性、生物利用度和效率更高,也就是说,塑料的碎裂会促进其在土壤间的运输和扩散。

微塑料也会在食物链中积累和转移。2017年,Huerta Lwanga等人研究了位于墨西哥的10个家庭花园中的蚯蚓和鸡对PE微颗:痛罂帕5纳闳∏榭。从土壤到蚯蚓尸体再到鸡的粪便,微塑料颗粒不断累积,浓度不断提高。这表明,微塑料和大塑料有可能进入陆地食物链中。

科学家还用弹簧虫、线虫和蜗牛作了陆地生态系统的毒性研究。研究发现,生活在有微塑料的土壤中,弹簧虫的体重和繁殖能力明显下降,肠道的微生物群也发生了变化。塑料纳米颗:臀⒖帕?赡芙档拖叱娴拇婊盥,寿命明显减少,但没有对线虫的繁殖造成影响。

与未接触塑料微粒的蜗牛相比,接触了塑料微粒的蜗牛食物摄入量没有明显减少,但塑料微纤维损害了它们的胃肠道,破坏了它们的排泄。目前,有关塑料对弹簧虫、线虫和其他土壤动物的影响的研究,仅限于石油基塑料。

微塑料进入土壤的过程

图源:《土壤学报》

通过梳理塑料颗粒影响的有关研究,我们发现,目前,有关生物基塑料对土壤环境尤其是对生物的影响存在研究空白。因此我们建议,对生物基塑料作进一步的生态毒理学研究,评估生物基塑料对蚯蚓和其他土壤动物的影响,扩大塑料对植物和微生物的生态毒性测试范围,全面评估塑料对土壤生物的直接及间接影响,发展、完善用生物基塑料取代石油基塑料的环境安全评估。


编辑:刘婧童、摆脱塑缚

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